DE1588243C

DE1588243C - Phase shifter

Info

Publication number: DE1588243C
Application number: DE19671588243
Authority: DE
Inventors: John D Pinebrock NJ Brinkman (VStA)
Original assignee: The Singer Co , New York, N Y (V St A )
Priority date: 1966-06-28
Filing date: 1967-06-21
Publication date: 1973-05-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasenumsetzer zur Erzeugung zweier dem Sinus bzw. dem Cosinus eines Winkels proportionaler Spannungen aus den Ausgangsspannungen eines dreiphasigen Synchronservomechanismus.The invention relates to a phase converter for generating two the sine and the Cosine of an angle of proportional voltages from the output voltages of a three-phase Synchronous servo mechanism.

In vielen Steuersystemen wird die Winkelstellung von bestimmten Teilen, beispielsweise von Wellen, in elektrischer Form durch Signale angezeigt, die von einem Synchrongeber erzeugt werden. Geber dieser Art umfassen einen Stator mit drei gleichmäßig verteilten stationären elektrischen Wicklungen sowie einen Rotor mit einer einzigen elektrischen Wicklung, die bezüglich der Statorwicklungen drehbar ist und von einem Wechselstrom erregt wird. Die Welle oder dasjenige Bauteil, dessen jeweilige Ausrichtung angezeigt werden soll, ist über ein Getriebe mit dem Rotor gekuppelt, so daß dieser direkt oder proportional mit der Lage einer solchen Welle ausgerichtet wird. Durch diese Abhängigkeit ergeben sich entsprechend der Ausrichtung der Welle und des Rotors an den drei Statorwicklungen Ausgangsspannungen, die die jeweilige Lage der Welle anzeigen. Wird beispielsweise der Rotor von einer sinusförmigen Spannung erregt, so entstehen an den drei Statorwicklungen Spannungen der FormIn many control systems, the angular position of certain parts, such as shafts, indicated in electrical form by signals generated by a synchronous encoder. Giver of this Kind include a stator with three evenly spaced stationary electrical windings as well a rotor having a single electrical winding rotatable with respect to the stator windings and is excited by an alternating current. The shaft or the component whose respective orientation is displayed is to be, is coupled to the rotor via a gear, so that this is direct or proportional is aligned with the location of such a shaft. This dependency results in corresponding the alignment of the shaft and the rotor at the three stator windings output voltages that show the respective position of the shaft. For example, the rotor is affected by a sinusoidal voltage energized, tensions of the form arise on the three stator windings

E-sinwi·sinΘ, E-sinwt·sin(Θ + 120°) E- sinwi sin Θ, E- sin wt sin (Θ + 120 °)

E- sin wt- sin (0 + 240°) E- sin wt- sin (0 + 240 °)

wobei JE die Amplitude der Sinuswelle darstellt, wdie Frequenz der sinusförmigen Erregung, t die Zeit und Θ den Winkel zwischen der Ausrichtung der Welle und einer bestimmten Bezugslage.where JE represents the amplitude of the sine wave, w the frequency of the sinusoidal excitation, t the time and Θ the angle between the orientation of the wave and a certain reference position.

In derartigen Steuersystemen sind auch übertrager von der Art eines Resolvers anwendbar, der zwei uin 90° gegeneinander 'versetzte Statorwicklungen sowie eine bezüglich diesen drehbare Rotorwick-. lung zur Erzeugung von dem Sinus bzw. dem Cosinus des Drehwinkels proportionalen Ausgangsspannungen aufweist. Als Steuerübertrager besitzen jedoch die dreiphasigen Synchronservomechanismen an sich bestimmte Vorteile, indem sie die geradzahligen und alle ein ganzzahliges Vielfaches von 3 darstellenden Harmonischen unterdrücken. Infolgedessen sind sie in ihrer Anwendung vielseitiger. Andererseits benötigt man in vielen Steuerkreisen nicht dreiphasige Signale," sondern vorzugsweise nur zwei Signale, die die Winkelstellung der Welle in Form des Sinus und des Cosinus dieses Winkels gegenüber einer Bezugslage wiedergeben. In beiden Fällen ist daher eine Umsetzung der die Winkelstellung enthaltenden Information vom Dreiphasensystem in das Zweiphasensystem nützlich, und dazu ist eine besondere Schaltungseinheit erforderlich. In such control systems, transmitters of the resolver type are also applicable, the two stator windings offset by 90 ° against each other as well as one with respect to these rotatable Rotorwick-. development for generating the sine or the cosine has output voltages proportional to the angle of rotation. As a tax delegate, however, have the three-phase synchronous servo mechanisms in themselves have certain advantages by having the even-numbered and all suppress an integer multiple of 3 representing harmonics. As a result, they are in their application more versatile. On the other hand, three-phase signals are not required in many control circuits, " but preferably only two signals that indicate the angular position of the shaft in the form of the sine and the cosine reproduce this angle with respect to a reference position. In both cases there is therefore an implementation the information containing the angular position is useful from the three-phase system to the two-phase system, and this requires a special circuit unit.

Derartige Umsetzungen von Dreiphasen- in Zweiphasensysteme lassen sich auch durch Verwendung eines Scott-T-Transformators durchführen. Ein solcher Transformator ist jedoch gegen Null-Harmonische, d. h. gegen die in der Nullstellung induzierten Oberwellen, und sonstiges Rauschen empfindlich; außerdem erfordern bestimmte zugehörige Schaltkreise,, beispielsweise die beim Scott-Transformator erforderlichen Pufferverstärker, eine sorgfältige Stabilisierung.· ,Such conversions from three-phase to two-phase systems can also be achieved through use a Scott-T transformer. However, such a transformer is against zero harmonics, d. H. sensitive to the harmonics induced in the zero position and other noise; also require certain associated circuitry, such as the Scott transformer required buffer amplifier, careful stabilization.,

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Umsetzer vonThe object of the invention is to provide a converter of

Dreiphasen- in Zweiphasensysteme zu schaffen, der unempfindlich gegen Oberwellen und Rauschen ist, ■ sich leicht stabilisieren läßt und bei Beaufschlagung mit verschiedenen Eingängen kürzeste Bereitstellungszei-ί ten aufweist. Trotz dieser Anforderungen soll der Umsetzer in Gewicht und Abmessungen den bekannten ί Geräten überlegen sein. ■Create three-phase in two-phase systems that are insensitive to harmonics and noise, ■ can be easily stabilized and the shortest readiness time when different inputs are applied th has. Despite these requirements, the converter should match the known weight and dimensions ί Be superior to devices. ■

Diese Aufgabe wird bei einem Phasenumsetzer der eingangs bezeichneten-Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei jeweils mit einer Rückkopplungsschleife- von Ausgang zu' Eingang versehene Summierverstärker über gleiche Eingangsimpedanzen mit zwei der sterngeschalteten Statorwicklungen des über seine dritte Statorwicklung geerdeten Synchronservomechanismus verbunden sind und der Ausgang des ersten Summierverstärkers auf den Eingang des zweiten Summierverstärkers übergekoppelt ist, wobei derThis object is achieved according to the invention in a phase converter of the type specified at the outset solved that two each provided with a feedback loop from output to 'input summing amplifier via the same input impedances with two of the star-connected stator windings of the via its third stator winding connected to grounded synchronous servo mechanism and the output of the first summing amplifier is coupled over to the input of the second summing amplifier, the

Uberkopplungsfaktor das -L -fache des Rückkopplungsfaktors des ersten Summierverstärkers und das l#-fache des Rückkopplungsfaktors des zweiten Summierverstärkers beträgt, die Eingangsimpedanzen gleich der Rückkopplungsimpedanz des ersten Summierverstärkers sind, die Uberkopplungsimpedanz doppelt so groß wie die Rückko'pplungsimpedanz des ersten Summierverstärkers ist und die Rückkopplungsimpedanz des zweiten Summierverstärkers den •Ir-fachen Wert der Rückkopplungsirnpedanz desOvercoupling factor -L times the feedback factor of the first summing amplifier and that l # times the feedback factor of the second summing amplifier is, the input impedances equal to the feedback impedance of the first summing amplifier are, the overcoupling impedance is twice as large as the feedback impedance of the first summing amplifier and the feedback impedance of the second summing amplifier is den • Ir times the value of the feedback impedance of the

ersten Summierverstärkers hat. Vorzugsweise können dabei die Kopplungen und Impedanzen durch ohmsche Widerstände gebildet sein. Der erfindungsgemäßefirst summing amplifier. The couplings and impedances can preferably be ohmic Resistances be formed. The inventive

Phasenumsetzer zeichnet sich durch seine Unempfindlichkeit gegen Rauschen und seine einfache Stabilisierbarkeit aus. 'Phase converter is characterized by its insensitivity to noise and its easy stabilization out. '

^% Eine Ausführungsform der Erfindung ist im fol-. genden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Schaltbildes beschrieben. ^% One embodiment of the invention is shown below. on the basis of the circuit diagram shown in the drawing.

Der mit S bezeichnete Synchronservomechanismus besitzt drei Statorwicklungen 1,2,3 sowie einen (nicht . gezeigten) Rotor mit einer gegenüber den Statorwick-• -lungen drehbaren Wicklung. In Abhängigkeit von der . entsprechenden Erregung, erzeugt die Roforwicklung Spannungen, die dem Winkel zwischen ihr und der einzelnen Statorwicklung proportional sind. Die Winkelstellung der mit dem Rotor gekuppelten Welle wird demgemäß durch die an den Wicklungen entstehenden Spannungen dargestellt. Die drei Wicklungen sind an ihrem einen Ende sternförmig zusammengeschlossen. Das andere Ende der Wicklung 1 ist geerdet, während.die anderen Enden der Wick-■ . lungen 2 und 3 die Eingänge der erfindungsgemäßen und allgemein' mit 4 bezeichneten Schaltung darstellen. The synchronous servo mechanism denoted by S has three stator windings 1, 2, 3 and a rotor (not shown) with a winding that is rotatable with respect to the stator windings. Depending on the. appropriate excitation, the rofor winding generates voltages that are proportional to the angle between it and the individual stator winding. The angular position of the shaft coupled to the rotor is accordingly represented by the stresses arising on the windings. The three windings are connected in a star shape at one end. The other end of the winding 1 is grounded, while the other ends of the winding ■. Lungs 2 and 3 represent the inputs of the circuit according to the invention and generally designated by 4.

Die Schaltung 4 umfaßt einen ersten Verstärker 5 und einen zweiten Verstärker 6, deren Eingänge an die Wicklungen 2 und 3 des Synchronservomechanismus 5 über jeweilige Widerstände 7 bzw. 8 angeschlossen sind. Ein Rückkopplungswiderstand 9 ist zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers 5 eingeschaltet; ebenso liegt zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers 6 ein Rückkopplungswiderstand 10. Zwischen den beiden Verstärkern ist eine Uberkopplung mittels eines Widerstandes 11 vorgesehen, der zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und dem Eingang des Verstärkers 6 liegt.The circuit 4 comprises a first amplifier 5 and a second amplifier 6, the inputs of which are connected to the windings 2 and 3 of the synchronous servo mechanism 5 are connected through resistors 7 and 8, respectively are. A feedback resistor 9 is between the output and input of the amplifier 5 turned on; likewise, there is a feedback resistor between the output and input of the amplifier 6 10. A cross-coupling by means of a resistor 11 is provided between the two amplifiers, which lies between the output of the amplifier 5 and the input of the amplifier 6.

Bei sämtlichen Widerständen der Schaltung 4 handelt es sich vorzugsweise um Präzisionswiderstände mit engen Toleranzen und bei den Verstärkern 5 und 6 um solche, die in ihren Arbeitsbereichen nur sehr geringe Verzerrung hervorrufen und einen extrem hohen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von mehreren hundert Millionen aufweisen. Die Eingangsklemmen dieser Verstärker liegen im wesentlichen auf Erdpotential, und die Eingangsimpedanzen sind derart hoch, daß der sie in Abhängigkeit von den von außen angelegten Spannungen durchfließende Strom vernachlässigbar gering ist.All of the resistors in circuit 4 are preferably precision resistors with tight tolerances and amplifiers 5 and 6 around those that are only very much in their working areas cause low distortion and an extremely high gain factor of the order of have several hundred million. The input terminals of these amplifiers are essentially on Ground potential, and the input impedances are so high that they depend on the outside applied voltages, the current flowing through it is negligible.

-2 _ T£ sin-2 _ T £ sin

60°) ■ Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung haben die Widerstände 7,8 und 9-gleiche Werte, während der Widerstand 11 den doppelten Wert und der60 °) ■ According to an essential feature of the invention, the resistors 7, 8 and 9 have the same values, while the resistor 11 twice the value and the

Widerstand 10 den -^-fachen Wert bezüglich des Widerstandes 9 haben. Mit anderen'Worten ist der Rückkopplungsfaktor für den Verstärker 6 γ-mal größer als der für den Verstärker 5, während der Überkopplungsfaktor die Hälfte des Rückkopplungs-" faktors für den Verstärkers beträgt. Werden 'die Widerstandswerte entsprechend diesen Überlegungen bemessen, so erzeugt die Schaltung 4 aus den dem Synchronservomechanismus S entnommenen Spannungen an den jeweiligen Ausgängen 12 und 13 Spannungen, die dem Sinus bzw. dem Cosinus der Stellung der Rotorwicklung gegenüber dem Stator und damit dem Sinus bzw. Cosinus des Drehwinkels proportional sind. · "" " : ." Da in dem Verstärker 5 eine Phasenumkehr erfolgt,^:. ist die Ausgangsspannung an der Klemme 12 der Schaltung 4 der an ihrem Eingang liegenden Spannungumgekehrt. Das am Eingang auftretende SignalResistor 10 has - ^ - times the value of resistor 9. In other words, the feedback factor for amplifier 6 is γ times greater than that for amplifier 5, while the overcoupling factor is half the feedback factor for the amplifier. If the resistance values are dimensioned according to these considerations, the circuit generates 4 from the voltages taken from the synchronous servo mechanism S at the respective outputs 12 and 13, voltages which are proportional to the sine or cosine of the position of the rotor winding in relation to the stator and thus to the sine or cosine of the angle of rotation. Since a phase reversal takes place in the amplifier 5 ^: the output voltage at the terminal 12 of the circuit 4 is reversed to the voltage at its input

£ · sin Θ · sin wi wird somit an der Ausgangsklemme 12 in das Signal£ · sin Θ · sin wi is thus included in the signal at output terminal 12

— E- sin<9· sinwi- E- sin <9 · sinwi

. . - 1. invertiert. ' - - . . - 1st inverted. '- -

Hinsichtlich der Wirkungsweise des Verstärkers 6 soll zunächst der allgemeine Ausdruck für die Funktion derartiger Verstärkerkreise mit mehreren Eingängen betrachtet werden, die folgendermaßen lautet:With regard to the mode of operation of the amplifier 6, the general expression for the function should first be used such amplifier circuits with multiple inputs are considered, which reads as follows:

Darin istIn it is

e_Q = Ausgangsspannung,
R₀ = Rückkopplungswiderstand,· \ . e,- = Eingangsspannung,
R; = Eingangswiderstand. e _Q = output voltage,
R ₀ = feedback resistance, · \. e, - = input voltage,
R; = Input resistance.

Demgemäß lautet die Funktionsgleichung für den Verstärker 6:Accordingly, the functional equation for amplifier 6 is:

■ sin wt — E sin 0 · sin wi■ sin wt - E sin 0 · sin wi

da der Wert des Widerstandes 10 das 4-fache dessince the value of the resistor 10 is 4 times the

Widerstandes 8 und der des Widerstandes 11 das Doppelte des Widerstandes 8 betragen. Ferner soll jestgehalten werden, daß die an der Statorwicklung 2Resistance 8 and that of resistance 11 are twice the resistance 8. Furthermore should be held that the stator winding 2

Damit wird 'This becomes'

— 2 2J?«- 2 2Y? "

auftretende Spannung die Form . .occurring tension the shape. .

-£ sinwi- sin (0+240°) hat, was gleichbedeutend ist nut dem Ausdruck- £ sinwisin (0 + 240 °) has, which is equivalent to the expression

Esinwi-sin (0 + 60°). "Esinwi-sin (0 + 60 °). "

E · sin wi E · sin wi

Γ
sin Θ Γ
sin Θ

cos cos 0 - sin 60°— -z sin 0cos cos 0 - sin 60 ° - -z sin 0

-2-2

E sin wt E sin wt

Θ (- J Θ (- J

+ cos Θ ^)-i_Sin0]+ cos Θ ^) - i _S in0]

= — E sin wi · cos Θ . = - E sin wi · cos Θ.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Schal- 65 mators durchführt. Diese Schaltung· besitzt für die tung 4 an ihren jeweiligen Ausgangsklemmen dem Verwendung· von Steuersystemen die folgenden Vorsin Θ bzw. dem cos Θ proportionale Spannungen er- teile gegenüber dem Scott-T-Transformator: Die Abzeugt und somit die Funktion eines Scott-T-Transfor- messungen und das Gewicht der Anordnung sind be-From the foregoing it can be seen that the formulator 65 performs. This circuit has the following presin Θ or voltages proportional to the cos Θ for the device 4 at its respective output terminals for the use of control systems: The output and thus the function of a Scott T transformer Transformation measurements and the weight of the arrangement are important

deutend kleinen Es ist möglich, verschiedene Eingänge auf denselben Phasenumformer zu geben, ohne die Leistungsfähigkeit herabzusetzen und ohne Zeitverluste als Folge der Bereitstellungszeit der Anordnung hinnehmen zu müssen. Eine vergleichbare Leistungsfähigkeit eines solchen Vielfachsystems ist mit dem in den bekannten Anordnungen verwendeten Transformator nicht erreichbar, da die Bereitstellungszeit eines Transformators mindestens .eine Größenordnung größer ist.' ," ^w _; _.." r;~r::'.:" " :-.'"."■It is possible to give different inputs to the same phase converter without reducing the performance and without having to accept loss of time as a result of the availability time of the arrangement. A comparable performance of such a multiple system cannot be achieved with the transformer used in the known arrangements, since the availability time of a transformer is at least "an order of magnitude longer". , " ^w _; _ .."r; ~ r :: '.: "": -.'"." ■

Die Verstärker 5 und 6 sowie alle übrigen zugehörigen Komponenten können unter ausschließlicher Verwendung von Widerständen, Kondensate-* ren und Festkörper-Bauelementen ausgeführt sein, so daß sich ihre Größe und ihr Gewicht stark verringern. Die Genauigkeit der Umsetzung kann sehr fein bestimmt werden, da "sie im wesentlichen durch die j-Verhältnisse eines Widerstandswertes zu dem Wert / der übrigen Widerstände am Eingang in der über-' V kopplung und in der Rückkopplung gegeben ist., · '"■;-■};The amplifiers 5 and 6 as well as all other associated components can under exclusive Use of resistors, condensers * and solid-state components, so that their size and weight are greatly reduced. The accuracy of the implementation can be very fine be determined as "they are essentially by the j-ratios of a resistance value to the value / the remaining resistances at the input in the over- 'V coupling and is given in the feedback., · '"■; - ■};

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

L phase converter for generating two, the sine or the cosine of an angle proportional Voltages from the output voltages ■ of a "three-phase synchronous servo mechanism, characterized in that two each with a feedback loop of output summing amplifiers (5, 6) provided for input via the same input impedances (7, 8) two of the star-connected stator windings (2, 3) of the one grounded via its third stator winding (1) Synchronous servo mechanism (S) are connected and the output of the first summing amplifier (5) is coupled over to the input of the second summing amplifier (6), whereby.der Uber-

_ .. coupling factor ^ - times the feedback factor of the first summing amplifier and that j / T times the feedback factor of the second Summing amplifier is, the input impedances (7, 8) equal to the feedback impedance (9) of the first summing amplifier (5), the overcoupling impedance (11) is twice as large as is the feedback impedance (9) of the first summing amplifier (5) and the feedback impedance (10) of the second summing amplifier (6)

the ψ? -fold value of the feedback impedance

(9) of the first summing amplifier (5).

2. Phase converter according to claim 1, characterized in that the couplings and impedances are formed by ohmic resistances.